流域水資源規劃與管理決策支持系統應用研究

謝 放

（浙江省水利水電勘測設計院，浙江杭州 310002）

流域水資源規劃與管理決策支持系統應用研究

謝 放

（浙江省水利水電勘測設計院，浙江杭州 310002）

為盡快解決水資源合理開發利用和優化配置問題，提高水資源保障能力?？梢砸M國外先進的技術。本文結合實例，分析、總結和驗證了流域水資源規劃與管理決策支持系統在浙江省的實用性，提出了進一步工作的建議。

水資源；規劃管理；決策支持；系統；引進

隨著經濟社會的快速發展，水資源已成為最基礎、最具有全局和長遠影響的重要戰略性要素資源。浙江省許多經濟較發達地區都存在缺水現象[1]，水資源已成為影響浙江部分區域經濟發展、人民生活水平提高制約要素之一。如何采用國內外先進的科學技術方法，提高水資源綜合利用的效益，保障社會經濟對水資源的要求，成為水利部門的重要工作之一。本項目是水利部“948”項目，在引進流域水資源規劃與管理決策支持系統后，通過消化吸收、典型示范和二次開發，在解決水資源合理開發利用、優化配置和提高水資源保障能力等問題方面做了有益的工作。

1 項目目的

由于水資源信息應用的迅速增加，工作深度的大幅度加大，對水資源信息的質量和數量等的要求越來越高，再采用傳統的方法很難滿足各級政府和社會發展的需要，迫切要求依靠現代高新技術，建立高效的水資源信息共享平臺，提高水資源信息應用的科學性、合理性、可操作性，以及與其他行業如國土利用、環境保護、城市交通等的協調性，進而盡快解決水資源合理開發利用和優化配置問題，提高水資源保障能力。

國內許多科研院所已經展開了這方面的工作[2]，浙江省在省水利廳領導下，一直在努力開發建設水資源優化配置管理方面的信息系統和平臺，但與國外先進系統相比，尚存在一定的差距。在水利部引進國際先進水利科學技術項目推薦會上，全世界這一領域著名的美國喬治亞理工學院喬治亞水資源研究所推出了基于GIS開發的流域水資源規劃與管理決策支持系統。

通過學習調研分析，可以看出，該系統在許多方面是我們能了解到的最先進的、最符合浙江省實際情況的水資源信息管理系統。為此，在水利部的支持下，浙江省以“948”項目立項引進流域水資源規劃與管理決策支持系統。

2 項目概況

本項目的主要工作內容為，在對流域水資源規劃與管理決策支持系統進行消化、吸收基礎上，結合臺州市溫黃平原水利規劃，建立椒江流域水資源信息管理數據庫，對椒江流域相關水資源數據進行集成管理，建立水資源系統優化調度模型，重點研究朱溪水庫與長潭水庫聯合優化調度模型，提高長潭水庫下游供水能力和保證率，為椒江流域水資源可持續發展控制和可持續防洪規劃提供決策依據。然后在此基礎上，總結經驗，升級系統，進行二次開發后，在全省推廣應用。

2.1 系統功能

流域水資源規劃與管理決策支持系統包含了幾乎所有水資源規劃與管理方面的主要功能。本項目的主要應用有：一是對不同需求、約束、規則、政策進行評估，為制定本區域水資源規劃與管理的中長期計劃提供科學依據。二是對選定的中長期計劃，制定對應的最優短期實施方案。同時解決四個方面技術難點：一是中長期徑流預報技術可靠。二是系統隨機優化算法實用快速。三是合理的模塊分層結構和模塊間獨特的連接與集成技術。四是自動多年模擬演算評估技術。

流域水資源規劃與管理決策支持系統中建立了一些先進的分析計算模型，其中“歷史相似擴展徑流預報法”利用當前水文信息和有關聯的海洋溫度變化（厄爾尼諾現象），對流域最有可能的來水進行預報，使其預報時間提前 3～6個月。該方法是目前世界上最先進的中長期徑流預報方法[3]。此方法在全世界多個地區均有應用，可靠性超過 70%。同時，本項目結合了中長期預報的自適應調度模型，在分析研究后初步確定流域減少棄水、降低洪澇災害、增加洪水轉化水資源的數量。

2.2 系統的先進性

水資源規劃與管理決策支持系統能適應水資源管理和應用的各個階段，能很好地融入浙江省長期以來在水資源規劃設計研究工作中積累起來的基礎資料，并有可能無縫鏈接全省水資源發展規劃數據庫（宏觀戰略、長遠規劃、中長期規劃和建設規劃），資源配置規劃數據庫（流域綜合規劃、防洪規劃、水資源綜合規劃、區域水資源配置規劃）等數據平臺，將水資源的各類信息與成果在引進的系統上仿真展示，使各個層次的用戶都能在一個模擬真實的虛擬環境中了解水資源規劃和優化管理的詳細內容，提高宏觀決策的正確性。

2.3 解決的關鍵問題

本引進項目主要解決的關鍵問題有：浙江省全省有關水資源方面的巨量空間數據、屬性數據的存貯與處理；各類水資源基礎數據分析計算模型的建立與實現；水資源規劃和優化管理決策支持系統的建立；多水庫優化調度系統。

圖1 計算范圍圖（臺州市椒江流域）

3 實 例

項目的研究分析實例選擇了浙江省臺州市椒江流域，根據該流域的供水特點、現狀及規劃供水基本情況，展開調試分析，并驗證系統的適應性。

3.1 主要內容

（1）研究范圍。主要是臺州市椒江流域的溫黃平原、椒北平原。包括臺州市區、溫嶺市、玉環市、臨海市。永安溪和始豐溪上游水資源豐富，不作為水資源研究的重點。見圖1。

（2）供水特點。生活和重要工業用水由水庫供應（通過管道）；農業灌溉和一般工業用水以河網為主，不足由水庫補充。

（3）現狀供水基本情況。優質水：臺州市區（含黃巖區、路橋區、椒江區）由長潭水庫供應；玉環和溫嶺以當地中小型水庫供應為主。一般水：河網、永寧江閘上以水庫為主，長潭水庫及其他中小型水庫補充。溫黃平原供水現狀：河網水質較差，甚至不能滿足灌溉要求。優質水嚴重不足，水資源供需緊張。

（4）規劃供水情況。供水范圍：溫黃平原及玉環縣。2020年水平年?。褐煜畮?長潭水庫。

實例的概化圖如圖2所示。

圖2 椒江流域水資源系統概化網絡圖

3.2 基礎資料

項目的基礎資料有：椒江流域地圖、椒江流域水庫庫容水位曲線、水庫工程特性表、水庫最大下泄流量曲線及調度規則、水庫逐日入庫徑流過程等資料。具體內容如下。

椒江流域地圖：包括了河流、高速公路、大型水庫、中型水庫、小型水庫、海域面等信息。

椒江流域水庫庫容水位曲線：含流域21座大、中、小型水庫的庫容水位曲線：里林、孟溪、下岸、十三都、碗廠、朱溪、方溪、里石門、龍溪、桐柏、黃龍、牛頭山、溪口、童燎、長潭、佛嶺、秀嶺、太湖、湖漫、小庫、里墩。庫容水位曲線的主要用途是在水庫水位給定時，確定對應的容量。此曲線在水庫調度管理中應用非常廣。水庫的調度規則一般都是以水位為參考值，而水量平衡計算都是以庫容表示，二者的相互轉換的關系曲線是不可缺少的基本數據。

水庫工程特性表：包括 21座水庫以下幾個重要的水位特征值：死水位、正常水位、最高水位、汛前限制水位、設計洪水位、興利水位。

庫最大下泄流量曲線及調度規則。

水庫逐日入庫徑流過程：包括 16座水庫的1961～2000系列降雨、蒸發、入庫徑流深過程。

系統的調試數據資料包括三個部分。

（1） 下岸、里林、朱溪、里石門、桐柏、龍溪、牛頭山、溪口、童燎、長潭、佛嶺、秀嶺、太湖、湖漫、里墩等水庫1961年到2000年的水庫入庫徑流深表格。

（2） 溫黃平原、永寧江北岸、椒北平原、玉環等地方的1961年到2000年的降雨蒸發徑流深資料。

（3） 臨海、仙居、天臺、三門、溫黃、玉環等地 1961年到 2000年的蒸發資料（以臨海為典型）。

在第一次調試計算分析后，對上述數據進行了調整，主要有。

（1） 分區（需水用戶）調整。

由于數據的完整性，把研究實例中8個需水用戶調整為7個，即去掉“溫黃平原”。

（2） 河網調節調整。

在系統中增加考慮河網的調節問題。并按照如下原則操作：首先，把每個計算分區的河網概化為一個湖泊，輸入條件是逐日入湖泊的徑流量。其次，供需平衡計算時，一般工業和農業灌溉首先由河網供水，河網水位到達死水位，則由山區水庫供水。

（3） 個別水庫的入庫徑流調整。

規劃水庫的入庫徑流，建議直接移用周邊水庫的入庫徑流深過程乘以該水庫集水面積代替。

在第一階段調試成功后，整理輸入第二批資料，主要是13座水庫的特征水位值，包括死水位、臺汛限水位、梅汛限水位、興利水位、設計洪水位等。

同時還輸入了下述相關的資料。

方溪水庫泄洪建筑物為大壩溢洪道，設表層泄洪閘3孔，每孔凈寬為10m，總凈寬為30m。泄洪閘堰頂高程115m，調洪計算泄流公式為：

朱溪水庫選用有閘門控制溢流方式，設3孔單寬為12m、總凈寬36m的泄洪閘，堰頂高程為141m。泄洪閘泄流公式為：在數據資料滿足系統調試的要求后，根據椒江流域水資源方面的實際情況進行模型修改、邊界條件重置和適應性升級，以吻合椒江流域實際運行情況。

3.3 數據庫和模型建立

在基礎數據調試完成后，直接應用流域水資源規劃與管理決策支持系統自帶的功能，結合椒江流域實際情況，建立椒江流域水資源信息數據庫及水資源系統優化調度模型。

（1） 椒江流域水資源信息數據庫：包括空間數據庫和時間序列數據庫。其主要作用是存儲流域的地理信息和有關水文水資源觀測資料，利用 MS ACCESS管理。時間序列數據庫選擇支持多用戶遠程服務的開放式數據管理軟件SQL SERVER。此外，應用系統本身功能強大且使用方便的水文數據分析工具，快速地對時間序列進行各種統計分析和處理，為應用模型準備輸入數據和參數。

（2）水資源系統優化調度模型：根據預報的徑流信息和水庫當時的水位狀態，在滿足河流控制站點最小流量約束以及供水需求的條件下，系統自動生成水資源系統優化調度模型制定出最佳的水庫蓄放和供水決策。針對特定的流域，將重點研究長潭水庫與朱溪水庫聯合優化調度時，對長潭水庫下游供水能力和保證率的影響。同時，研究朱溪至長潭跨流域調水后，對朱溪水庫下游徑流過程影響。

4 主要成果

4.1 項目特點

本項目主要特點是建立了適合實例實際情況的多水庫優化模型、水資源優化管理和調度模型和多年模擬演算評估模型等三大模型，基本解決多庫多年水資源優化管理調度的模型建立難題。

多水庫優化調度模型。多水庫優化的目的是確定每個水庫的運行方式以期獲得整個系統的最優化。該模塊以徑流預報模塊的結果為輸入,包含河流/水庫仿真模塊?？赡艿膬灮繕税ǎ簼M足系統內所有結點的供水需求；使水資源短缺達到最??；滿足最低流量的要求；盡量減少棄水；獲得最大的保證和平均電量。

城市與農業水資源規劃與管理模型。此模塊根據土壤的構成及當地氣象的特征，對不同的農作物的生長期制定出最佳的灌溉方案。本模型可以用來估算水資源對農業的回報；確定農業和其他水用戶的權衡關系；優化土地使用；評估或降低天氣變化對農作物的帶來的不利影響。

系統中長期運行計劃模擬技術。中長期計劃是制定今后幾個月或一年內每周的運行管理方案，短期運行是決定今后一天或一周內每小時的控制決策。二者的目標一致，但求解手段和所面臨的約束卻不一樣。中長期計劃的結果用來指導短期運行的操作，短期運行的實施操作的結果用來對中長期計劃的調整和修正。二者相互連接，缺一不可。中長期優化管理模型是決策系統的上層，它的優化潛力大（時間和空間）。引進項目是一個將中長期預報、中長期計劃、短期運行有機集于一體的系統。此系統的特點是自適應、滾動刷新。

自動多年模擬演算評估技術。自動評估系統管理方式的合理性；計算預報模型的改善對系統帶來的效益；考慮大氣變化對局部地區的水資源及其管理的影響；同時也對不同的系統約束（灌溉，城市供水，水質改善，防洪要求等）影響系統運行及效益進行優化；評估大型水利工程和各種水資源分配方案對自然環境、生態平衡、地方經濟的發展的影響。

系統的GIS數據庫管理模塊的應用也是本項目的主要成果，引進系統的數據庫包括空間數據（土壤構成、流域邊界、氣象數據、地面觀測點信息、衛星圖片等）、系統參數（水庫參數、發電設備等）及時間數據（徑流、降雨、城市及農業供水、水庫泄流及發電等）。這些數據庫與當前流行的各種商業數據庫管理系統兼容。其空間屬性庫可以通過ArcGIS空間數據庫引擎進行開發和管理。系統還通過集成這些數據庫管理系統為數據維護、分析及數據質量控制提供了簡單直觀的圖形界面和方便的工具。

4.2 主要經驗

本項目取得的經驗有三個方面。

一是基礎資料是整個項目成功的關鍵，也是計算成果具有可靠精度的基礎，因此，需要對資料進行認真反復的核查校對，以保證數據的完整性、準確性。

二是該系統主要是針對美國當地情況開發的，系統建設時要與軟件提供方進行及時的溝通，以保證項目實施達到預計要求。

三是本引進技術的實施一方面為全國水資源信息管理系統建設提供經驗，另一方面也為其他省市的建設做出典范。

4.3 主要問題

項目所需收集的數據工作量大、周期長，個別關鍵參數如果沒有，必須要進行實測，需要投入相當大的人力，花費比較多的時間。這些參數的缺失雖然也可以由軟件開發人員根據實際情況予以修正、升級軟件系統，但為此花費的費用會更大。

系統成果的精度一定程度上取決于水文信息和有關聯的海洋溫度變化（厄爾尼諾現象），特別是后者的最新實時數據的獲得需要一定的費用。

5 結 論

水資源規劃與管理決策支持系統經過消化、吸收并經過二次開發后能為其他地區和省份所引用，能很好地融入浙江省長期以來在水資源規劃設計研究工作中積累起來的基礎資料，并有可能無縫鏈接全省水資源發展規劃數據庫（宏觀戰略、長遠規劃、中長期規劃和建設規劃），資源配置規劃數據庫（流域綜合規劃、防洪規劃、水資源綜合規劃、區域水資源配置規劃）等數據平臺。將水資源的各類信息與成果在引進的系統上仿真展示，能使各級政府在一個模擬真實的虛擬環境中了解水資源規劃和優化管理的詳細內容，提高宏觀決策的正確性。

由于浙江省屬經濟發達地區，人口稠密，洪澇臺風災害頻繁，省內各流域又是獨流入海，山區性、平原河網交錯，故有其特殊性，本引進技術的實施一方面為全國水資源信息管理系統建設提供經驗，另一方面也為其他省市的建設做出典范。由于系統成果的精度對基礎數據質量要求比較高，其適用性目前受到一定的限制，在根據我國的國情進一步升級后可以很好的推廣應用。

[1] 王士武,鄭世宗等.浙江省部分缺水地區缺水程度分析[J].節水灌溉,2006,（02）:43～45

[2] 李中志.基于WebGIS水資源管理信息系統的開發[J].計算機與現代化,2008,（06）:106～109

[3] 周國良,張建云.厄爾尼諾現象及其對我國水文氣候的重大影響.[J].水文,2002,（03）:14～17

TV212.4

A

1008-1305（2013）02-0027-05

10.3969/j.issn.1008-1305.2013.02.009

謝 放（1956年-），男，副總工程師，教授級高工。